一个即插即用的屋顶太阳能微电网 | 智能能源

发布日期:2019-12-17 10:00
太阳能的未来依赖于为电网提供足够的家用电力。



几年前,我在德克萨斯州奥斯汀的一所房子的洗衣房里,看着示波器上一些令人不安的电信号。作为非营利清洁能源研究公司山核桃街(Pecan Street)的首席技术官,我的工作是研究屋顶光伏发电对住宅电网的影响。但那天我在房子与电网的连接上看到的东西激发了我的一个想法。“如果我给这所房子增加能量储存,我就能解决这个问题,”我记得自己说过。

要是有那么简单就好了。屋顶太阳能似乎很简单。当阳光普照的时候,你应该能够减少或消除你家里的电网输入,甚至可能把你的部分电力卖回给你的公用事业公司。有了家用电池储存装置,即使在天黑以后你也能做到这一点。
但从公用事业公司的角度来看,情况要复杂得多。除了担心太阳能会降低他们支付电网维护费用的能力外,住宅屋顶太阳能还有可能加剧大多数美国家庭已经存在的一个问题。

问题的核心是开关电源——驱动大多数小家电、娱乐系统、照明、电脑、手机和其他设备的电源。如果这些电源没有经过精心设计(有些没有),它们可能会对电网的电力质量产生腐蚀作用。就其本身而言,一栋房子,甚至整个社区的影响是微乎其微的。但是,加上屋顶太阳能并网发电,质量问题有可能使当地的配电网络资源紧张,正如2015年美国能源部(DOE)对德克萨斯州可再生能源整合的研究所显示的那样。

在调查客户家中的具体问题时,我们认为解决这些问题的最佳方法是使用比能源存储更深远的东西:一个盒子里的住宅微电网。这是一个系统,把用户的光电转化成一个可靠的高质量的电力来源,不仅供家庭使用,而且供社区甚至更广泛的电网使用。我们不是第一个尝试这种人工智能解决方案的人,当然我们也希望不会是最后一个。因为我们已经开始相信,如果没有类似的东西,或者消费者电力供应需求的改变,住宅屋顶太阳能将永远无法充分发挥它的潜力。

要理解为什么住宅屋顶太阳能需要一个微电网,你需要一点关于配电电网的背景知识,如何管理其上的电力流,电力质量的重要性,以及今天的住宅太阳能是如何工作的。

让我们从网格开始。从一个多世纪前电力工业诞生之初,电网消耗的所有电力都来自数量有限的发电厂。这些设施的产出过去是、现在仍然是由监管和市场机制的大杂烩控制的。直到大约20年前,电网的系统规划、建模和控制还相对简单,因为电力总是朝着一个方向流动——从公用事业控制的发电机到居民用电负荷。你家里发生的事几乎没有改变这一点。

在分布式发电中,电力有时会流向相反的方向。但是在接收端,电力公司并不确定在任何特定的时间内会有多少太阳能发电。多变的云量和季节变化意味着,从公用事业公司的角度来看,住宅太阳能与有组织的中央发电相比,显得很差,而中央发电的生产是可控的、可靠的和可预测的。然而,电网运营商已经学会了应对这种与天气有关的变幻莫测。

可用性并不是当今住宅太阳能发电系统的唯一问题。另一个是它们对电能质量的影响。电能质量是一个包罗万象的术语,指的是所接入设备对电网的影响。它是根据频率稳定性,电压稳定性,电压和电流的谐波失真来测量的。

要了解电能质量,首先要了解这样一个事实:理想情况下,电压和电流是同步振荡的(北美和加勒比地区是60赫兹,世界其他地区大多是50赫兹)。简单的电阻负载,比如老式的白炽灯泡,不会影响完美的同步。但更复杂的电容或电感,如空调的压缩机,会导致电流超前或滞后电压。电压和电流越偏离相位,可用功率越小。



功率因数:电压和电流波形之间的关系影响功率因数,功率因数是测量线路上做功的电流与线路容量的比值。在理想的情况下,两种波形完全同步[左]。感应或电容负载会导致电流导致或滞后电压,降低功率因数[中心]。当电流以不同于电压的频率流动时,会发生谐波失真,这进一步降低了功率因数。

这样想:功率是电压和电流的乘积。当它们完全处于同一相位时,交流波的两个峰的乘积都是正的,这意味着功率只向一个方向流动,从发电机到负载。所有的功率都是有用的类型,称为有功功率。随着电流与电压相位差越来越大,有功功率逐渐减小,直至为零,此时电流波形与电压相位差为90度。然后,功率是100%无功的,在两个方向上的流量相等,不做任何有用的工作。

某些负载,如我前面提到的使用开关电源的负载,会增加另一种起皱谐波失真。在这里,电压和电流不仅是不同步的;它们甚至没有相同的频率。

所有这些影响都可以用一个词来概括——权力因素。它基本上是一条线路上有多少电流在做功与线路的容量之比。最好的解释方法是举几个例子。当负载电流与电压完全相位且电流无畸变时,功率因数(PF)为1.0。当谐波失真增加或电流相位角开始导致或滞后于电压时,功率因数开始下降。例如,0.7的PF可能会产生一个电流,使电压升高45度,但不会产生任何失真。如果PF为0.5,可能会产生超前电流和显著的总谐波失真。

随着功率因数的下降和无功功率的增加,电力公司必须通过产生补偿无功功率来弥补这一变化,使电流和电压相互移回相位。没有这样的支持,电网上的电压可能会下降并导致停电。从历史上看,这种补偿性无功几乎总是电容性的,因为一些最大的负荷在家庭中,特别是在工业设施中是感应的。例如,冰箱和空调中的压缩机是由装有线圈的电动机驱动的。

传统上,公用事业单位能够假定住宅结构是一个合理的高质量负荷。对单个电器和家庭的历史测量证实了这一点,功率因数为0.9或更好,谐波失真相对较低[PDF]。

然而,随着越来越多的照明和电子设备转向开关电源,典型家庭的功率因数下降,对无功支持的需求增加。开关模式提供工作,首先整流电压从交流电源,然后切断成高频信号,允许使用相对较小的变压器和其他元件。这个信号的电压然后下降,整流,并过滤产生所需的直流输出在较低的电压。不幸的是,电源中的高频会以电流峰值的形式出现在主电路中,导致谐波失真。

在许多地区,传统的居民电网太阳能装置是非常简单的系统,不提供任何无功补偿。这意味着太阳能阵列将允许任何相位位移或失真,从家里的负载直接到公用事业没有任何减少-本质上放大了问题。IEEE标准1547-2018和加州21号规则(Rule 21)互联电价等地区规定要求太阳能装置能够通过产生无功功率来支持电网;然而,它们不能解决任何的谐波失真问题。

考虑一下北美的现代住宅,屋顶上有太阳能电池板、大型中央空调和其他一些常见的电器和电子产品。当屋顶板发电时,该系统提供正确的60赫兹的基频电流,但它并不能抵消一些电器供电时产生的谐波失真。因此,在电网连接时,房子有时会产生超过100%的总谐波失真。在这种情况下,家庭在谐波频率下提供的电流比在60赫兹频率下提供的电流要多,而60赫兹的频率是配电网设计的频率。

当只有少数的房子在电网上呈现这种负载时,这不是什么大问题。但更多的太阳能电池阵列意味着公用事业面临更多挑战。这在之前提到的美国能源部的研究中有所体现,该研究调查了德克萨斯州两个社区的供电情况。一个有屋顶太阳能,另一个没有;除此之外,它们非常相似。太阳附近的馈线出现谐波失真,导致功率因数经常低于0.65,而非太阳附近的功率因数从不低于0.94。为了太阳能的安全普及,我们需要一个更好的方法。


能量开关动作

白天,当不同的电器被打开和关闭时,房子会吸收不同数量的能量[绿色]。这些电器通过将电流和电压移出相位或扭曲电流波形来降低家庭的功率因数[橙色]。当家中的太阳能电池板开始发电时,功率因数下降得更多。电网必须能够补偿相位和失真。能量开关——家中的能量储存和微电网——限制了最大的能量消耗[紫色]。该系统还通过增加功率因数来减轻电网的负担。因此,家庭既可以作为一个简单的负载(黄色),也可以作为一个发电机。





在山核桃街(Pecan Street),我们专门从事可再生能源的数据收集和减少碳排放的实地试验,所以我们觉得自己处于有利地位,能够找到解决方案。我们与同样在奥斯汀的技术开发公司Concurrent Design合作,与美国能源部的SunShot项目合作,设计并建造了一个住宅能源存储系统,它可以把一个家变成自己的微电网。这是一个解决方案,解决了太阳能的所有集成问题。其目标是改善电力质量,使公用事业机构能够更舒适地接受来自住宅太阳能装置的能源;管理家用电池,让消费者在没有阳光的情况下也能使用或向电网输送能源;并允许家庭在断电期间脱离电网,自己供电,在过渡期间连一点闪光都没有。我们相信,这种结合将使太阳能和其他分布式资源在为传统集中式发电而设计的现有电网上的普及率更高;它还将使这些分布式资源成为公用事业的资产,而不是它们现在可能的运营负债。

我们称这个系统为能量开关。我们总共建造了四个这样的系统,两个用于实验室测试,两个用于现场试验。这两辆野战车被安置在一些非常友好的志愿者家中,他们为了这个项目放弃了相当大一部分车库。即使在能量存储方面有了进步,能量开关也不是小的——它大约有一个又高又细的家用冰箱那么大,宽61厘米,深61厘米,高180厘米。它相当重,将近900公斤(接近2000磅)。尽管如此,与我们6年前开发的第一个能量存储系统相比,这仍然是一个巨大的进步。



太阳城:公用事业公司想知道屋顶太阳能对电网的影响,以便他们可以弥补。德克萨斯州奥斯汀的一些社区已经有很高的太阳能普及率。

用于实地试验的房屋面积约为220平方米(接近2400平方英尺),建在奥斯汀的一个地区,开发商在那里指定了积极的节能措施。两户人家的太阳能电池板都直接与电网相连,额定功率约为5500瓦,还有供暖、通风和空调(HVAC)装置。其中一户有充电式电动车,另一户有电炉。2016年9月和10月,该能源开关被用于为家庭供电。由于白天的温度经常超过38°C(100°F),在这几个月里,奥斯汀的空调使用率仍然很高。

一开始我们给了能源开关五种工作模式:1)最大限度地利用太阳能生产;2)最大限度地向电网输送太阳能;3)不带二次发电机支架离网运行;4)二次发电机支撑离网运行;5)系统旁路:直接接入电网进行系统维护或电池寿命保存。

显然,我们考虑的是工程师,而不是消费者。我们认为这些选择将给房主他们想要的灵活性。但事后看来,我们可能应该将其简化为两种可见的操作模式,甚至可能只有一种。我们应该让系统根据网格的需求和条件来决定其他的选择,比如自用或者网格生产。当我们解释这些操作模式时,其中一名参与者的孩子比他的父母理解得更快:

他:“你是说……如果停电了,我还可以玩电子游戏和太阳能?”

美国:“是的,你还会有空调……”

他:“甜! !”

进入“甜!“这是一项非常庞大的工作,必须非常迅速地完成。能源部的总资助期为12个月,我们需要在最后预留3个月用于演示、测试和报告。只剩下九个月的时间来设计和建造这些系统。

我们确实可以访问以前开发的一些遗留硬件。然而,要执行我们设想的所有功率因数校正、负载控制、发电控制和电网支持服务,需要对整个系统设计进行重大修改。

我们希望能源转换超越其他系统——甚至像特斯拉的Powerwall 2 ac这样的新商业系统——所能做到的。我们希望这个能源开关能让一个家庭在有或没有完全电池的情况下将太阳能输入电网,并进行全职的功率因数校正。我们还希望该系统能与家庭的其他能源系统完全集成,这样它就能,例如,除了太阳能之外,还能接受备用发电机的能源,使房子在长时间的停电中继续运转。

为了应对这些挑战,我们设计了一个系统,可以监控和控制家里24种不同的承重电路。该系统每分钟做出大约300个决定,根据对电池、电网、电力输出质量、太阳能生产和家庭负荷的数万次测量来配置电路。这些决定确保所有的系统都能以最高的效率运行,房主和公共事业公司也能从屋顶太阳能和电能质量支持系统中获得最大的效益。

当然,任何储能系统都必须包括全面的安全措施。我们设计这个系统是为了让各种各样的电池或电子设备的故障在达到临界水平之前很久就会导致系统关闭。这是在现场试验的第一天进行的测试,当一个糟糕的电容——很容易固定在一个家庭的暖通空调中——触发了电流的激增,伴随着一声响亮而令人沮丧的继电器叮当声,整个系统关闭了。

在其两个月的服务,能源开关证明了它的有效性,以纠正电力质量问题。它使谐波失真保持在接近无害和恒定的20%,防止了家庭可能造成的失真的剧烈波动。它还减少了无功功率,因此当使用公用事业供电时,家庭的功率因数保持在1.0左右。
当这两户家庭产生了足够的电力将其重新接入电网时,能源开关确保进入电网的电力只有一个与畸变相关的轻微无功分量。所以从公用事业的角度来看,现在的家庭要么是发电机,要么是电阻负载,这使得公用事业的电压控制工作容易多了。



盒子里的微电网:这个能源开关结合了5500瓦的能量存储和电路,这些电路限制了从电网中获取的能量,同时也能修正家用电器和电子设备产生的失真。该系统还管理来自屋顶太阳能和备用发电机的电力。

最后,该系统还提供了可编程的功率调节,限制了回电网的功率和从电网获取的功率。这对于人口增长导致公用事业分配能力紧张的地区是有帮助的。在这种情况下,能源开关被设置为限制从电网获得3.5千瓦和发电0.5千瓦。如果没有能源开关,这些家庭可能会偶尔产生超过4到5千瓦的电力。

能源开关成功地展示了许多先进的功能——功能超出了典型的能量存储系统的范围。如果住宅太阳能要成为电网的重要组成部分,这些功能和操作能力将需要变得更加普遍,这既是因为它们改善了公用事业的运营,也是因为消费者需要它们。

有了能源开关,消费者就有了可靠的电源,省下了水电费,对停电也有一定程度的免疫力。虽然所有这些功能的好处都可以用金钱来衡量,但最后一个功能也给人一种明显的安全感。试验结束后,我们在奥斯汀的两个家庭都说,他们没有体会到能源开关给他们带来的安全感,尽管试验期间附近的公共事业没有出现过一次停电。

哈特说,我们设计的系统是志愿者想要的,不一定是他们能负担得起的。当我们为现场试验采访潜在的志愿者时,我们讨论了电池尺寸的选择。在我们进行的采访中,人们几乎普遍拒绝任何只运行他们设备的一小部分的存储解决方案。一旦为整个家庭提供电池备份的想法成为可能,参与者就非常明确地想要这种功能——尽管,可以预见的是,他们对成本持谨慎态度。在项目结束的时候,我们估计像能量开关这样的全家庭电池系统可以卖到1万到2万美元,这取决于功能、电池大小和电子集成的进步。不可否认,有了这样的成本,像能源转换这样的系统并不适合每个人。但我们希望,至少它将指向一个更负担得起的解决方案。

从公用事业的角度来看,结合光伏、存储和家庭微电网,将住宅太阳能转变为不需要积极管理的东西。这意味着公共事业公司没有理由限制屋顶太阳能的普及。由于担心不稳定,公用事业公司有时会将住宅太阳能系统的部分限制在30%甚至更低。为什么不能是100%呢?我们认为住宅微电网可以帮助我们实现这一目标。